应力对锂离子电池中空碳包覆硅负极电化学性能的影响

针对锂离子电池硅及其复合电极材料,采用Cahn-Hilliard型扩散方程与有限变形理论全耦合的电化学-力模型来描述其在循环锂化过程中的扩散和力学相关性问题,构造高效的数值算法,在商用有限元软件平台上实现对该理论的数值求解.在此基础上,研究了硅电极恒流锂化和脱锂过程,基于界面反应动力学,得到电压响应曲线,计算结果整体趋势与实验结果吻合较好,同时预测的应力响应也与实验结果一致,验证了本方法的有效性.其次,研究了中空碳包覆硅负极锂化过程中的电化学与力学行为,计算结果表明,锂化期间中空碳包覆硅负极应力水平明显低于实心硅负极,随锂化的进行,应力差值越来越大,锂化结束时应力值降低约27%,这种应力的缓解提高了整个电极内化学势水平,使得锂离子浓度水平显著提高,更易达到完全锂化状态.同时,数值研究表明应力水平的缓解延缓了中空碳包覆硅负极的容量衰减(容量提升74%),充分显示出该电极良好的电化学性能.本研究揭示了应力对硅复合电极容量影响的作用机制,为将连续介质电化学-力耦合理论应用于实验预测提供了途径并为电极材料设计提供了理论依据.     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

锂离子电池SnSb/MCMB核壳结构负极材料嵌锂性能研究

以酸处理的中间相碳微球(MCMB)为载体, 用化学还原法在碳球表面沉积SnSb合金, 合成SnSb 包覆碳球的核壳结构负极材料. 采用XRD, SEM技术对材料的结构和形貌进行了表征, 用恒电流充放电(CC)、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)测试了材料的电化学性能. 实验结果表明: SnSb/MCMB样品呈现纳米晶与非晶态的混合组织; 单一SnSb合金的容量衰减较快, 而对于SnSb/MCMB复合材料, 细小的合金颗粒均匀钉扎在MCMB表面, 不仅改善了颗粒的团聚现象, 而且增强了材料的导电能力, 使材料的循环稳定性得到改善, 复合材料具有936.161 mAh/g的首次放电比容量, 首次库仑效率80.3%, 50次循环后容量维持在498.221 mAh/g. 关键词： SnSb合金 锂离子电池 中间相碳微球(MCMB) 电化学性能     

基于电化学模型的锂离子电池多尺度建模及其简化方法

锂离子电池的精确建模和状态估计对于电动汽车电池管理系统非常重要,准二维(P2D)电化学模型由于计算复杂,难以直接应用于电池管理的参数在线估计和实时控制中.本文基于多孔电极理论和浓度理论,提出一种考虑锂离子液相动力学的简化准二维(SP2D)模型.忽略锂离子孔壁流量沿电极厚度方向的变化求解SP2D模型所描述的锂离子电池锂浓度分布,基于锂离子电池电化学平均动力学行为求解固相和液相电势变化,推导出电池电压计算的简化表达式;采用恒流、脉冲以及城市循环工况放电电流对比分析了严格P2D模型与SP2D模型的终端电压和浓度分布.结果表明:SP2D模型在保持较高计算精度的同时,可显著提高计算效率.     

包含液相扩散方程简化的锂离子电池电化学模型

锂离子电池的电化学模型对于电池特性分析和电池管理具有重要意义,但是准二维(P2D)模型复杂度太高,为了在保证模型精度的基础上尽量降低复杂度,本文提出了一种包含液相简化的P2D (LSP2D)模型,该模型首先基于电化学平均动力学将电池端电压化简成为仅耦合固相Li+浓度c_s和液相Li+浓度c_e的方程,然后进一步对表达c_s和c_e演化规律的偏微分方程进行抛物线近似化简,使得最终的模型由多项式组成.COMSOL仿真表明在放电倍率为1C时该模型与单粒子(SP)模型的估算精度和速度相当,但在放电倍率为3C时,该模型的估算时间比P2D模型减少了99.73%,与SP模型相当,估算精度相比SP模型有大幅度提升.     

锂离子电池SnSb/C复合负极材料的热碳还原法制备及电化学性能研究

采用高温还原技术,以SnO2,SbO3为原料,分别以葡萄糖、中间相碳微球(MCMB)作为还原剂,制备了两种结构的SnSb/C复合材料,并对比了它们的形貌和电化学性能.采用X射线衍射技术、拉曼技术、扫描电子显微镜技术对材料的结构和形貌进行了表征,并且通过测试恒电流充放电曲线、循环伏安曲线和交流阻抗谱分析了材料的电化学性能.实验结果表明:葡萄糖作为还原剂时,形成以合金颗粒为内核,絮状碳壳均匀包裹的微米球状结构,首次放电比容量为793.379 mA·h·g-1,循环50周后仍维持在449.987 mA·h·g-1;而以MCMB作为还原剂时,形成合金颗粒与MCMB混合共存并部分包覆的结构,首次放电比容量为1164.938 mA·h·g-1,50周后的比容量仅有290.807 mA·h·g-1.     

CdSe/ZnSe核-壳结构纳米粒子合成新方法

报道用“一步”合成新方法制备了CdSe/ZnSe核-壳结构的发光纳米粒子.该方法是将锌的前驱体注入表面Se富集的CdSe发光纳米粒子溶液中,通过Zn²⁺与Se共价键结合,从而在CdSe发光纳米粒子的表面形成ZnSe壳.分别通过X射线粉末衍射、光电子能谱、透射电镜、紫外-可见吸收光谱和光致发光光谱,对核-壳结构的发光纳米粒子的结构及光学性质进行了表征.结果表明,以较宽带隙的ZnSe在较窄带隙的CdSe纳米粒子表面形成的壳层有效地钝化了CdSe纳米粒子的表面缺陷,明显地提高了室温下CdSe纳米粒子的光致发光效率.X射线粉末衍射表明随着Zn²⁺的不断注入,CdSe/ZnSe的衍射峰逐渐移向ZnSe衍射峰.光电子能谱数据显示,Zn2p的双峰分别位于1020,1040eV附近,通过与体材料ZnO相比,确定为Zn²⁺的光电子发射,说明Zn是以共价键形式存在于CdSe纳米粒子的表面.透射电镜照片显示纳米粒子具有良好的单分散性,核-壳结构的发光纳米粒子直径较CdSe核的直径明显增加.     

CdSe/ZnS核-壳结构量子点的非线性光学吸收

利用开孔Z扫描技术研究了吸收峰分别为553nm和503nm的两种尺寸CdSe/ZnS核-壳结构量子点溶液的非线性吸收性质.对于532nm,6ns激光脉冲,两种材料均表现出饱和吸收向反饱和吸收转化的现象.数值模拟结果表明:当吸收峰波长大于激光波长时,饱和吸收过程由快、慢两种机制组成,分别对应基态载流子被激发至不同的激发态,而强光下的反饱和吸收与快过程相关;当吸收峰波长小于激光波长时,饱和吸收主要由快过程机制引起,强光下的反饱和吸收源自激发态吸收和双光子吸收.我们的研究结果表明半导体量子点是研制光开关和光限制器件的理想候选材料.     

核-壳结构ZnS:Tb/CdS纳米晶的电致发光

利用微乳液方法合成出粒径为4nm的核．壳结构ZnS：Tb／CdS纳米晶。用XRD、TEM及荧光光谱等手段对合成的纳米晶的结构、形态和光学特性分别进行了表征。将ZnS：Tb／CdS纳米晶制作成有机-无机杂化结构电致发光器件,其结构为ITO／poly（3,4-ethylene dioxythiophene）：poly（styrene sulfonate）（PEDOT-PSS）（70nm）／poly（vinyleobarzale）（PVK）（100nm）／ZnS：Tb／CdS纳米晶（120nm）／2,9-dimethyl-4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline（BCP）（30nm）／LiF（1．0nm）／Al（100nm）。当驱动电压为13V时,可以测到Tb^3＋离子的两个特征峰。在电致发光光谱中未测到聚合物PVK的发光,说明电子和空穴是在纳米晶层上复合的。当驱动电压为25V时,得到器件的最大亮度为19cd／m^2。     

核-壳结构ZnS∶Tb/CdS纳米晶的电致发光

利用微乳液方法合成出粒径为4 nm的核-壳结构ZnS∶Tb/CdS纳米晶。用XRD、TEM及荧光光谱等手段对合成的纳米晶的结构、形态和光学特性分别进行了表征。将ZnS∶Tb/CdS纳米晶制作成有机-无机杂化结构电致发光器件,其结构为ITO/poly(3,4-ethylene d ioxythiophene)∶poly(styrene sulfonate)(PEDOT-PSS)(70 nm)/poly(vinylcobarzale)(PVK)(100 nm)/ZnS∶Tb/CdS纳米晶(120 nm)/2,9-d im ethyl-4,7-d iphenyl-1,10-phenanthroline(BCP)(30 nm)/L iF(1.0 nm)/A l(100 nm)。当驱动电压为13 V时,可以测到Tb3+离子的两个特征峰。在电致发光光谱中未测到聚合物PVK的发光,说明电子和空穴是在纳米晶层上复合的。当驱动电压为25 V时,得到器件的最大亮度为19 cd/m2。     

β-碳化硅/碳纳米管核壳结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了β-碳化硅/(15, 0) 碳纳米管和β-碳化硅/(16, 0)碳纳米管核壳结构的电子结构特性. 结果表明, 两种核壳异质结构都呈现出金属性, 它们的金属性主要是由碳纳米管和碳化硅纳米线表面的原子所贡献的. 碳化硅纳米线表面呈现的金属性由其结构本身决定, 而对于金属性的 (15, 0) 和半导体性的 (16, 0) 碳纳米管在填充碳化硅纳米线之后都表现出金属性, 主要是由于碳纳米管和碳化硅纳米线之间的电荷转移导致的, 而并不是由于碳纳米管形变造成的. 关键词： 核壳结构 电子结构 第一性原理     

基于电化学老化衰退模型的锂离子动力电池外特性

当前锂离子动力电池电化学模型存在模型复杂、建模难度大、计算效率低、老化评估效果差的问题,本文提出一种考虑电池衰退老化的机理模型(ADME).本文首先通过有限差分法对伪二维(P2D)电化学模型进行离散降阶处理,得到简化伪二维(SP2D)模型.在SP2D模型的基础上,基于阴阳两极发生的副反应导致的衰退老化现象,提出一种考虑电池衰退老化的机理模型.其次,使用多变量偏差补偿最小二乘法实现模型参数辨识.最后通过动力电池衰退老化性能循环实验,对比分析了恒流、脉冲工况下SP2D模型和ADME模型的终端电压输出.结果表明:ADME模型较为简单、计算效率和估算精度高,可以有效评估电池容量老化衰退,得到理想的锂离子动力电池外特性曲线.     

通过掺杂V和F提高碳包覆的磷酸铁锂锂离子电池的电化学性能

在原位聚合合成方法的基础上,结合两步烧结过程制得LiFe_1-xV_x(PO₄)_(3-y)/₃F_y/C.V和F掺杂对碳包覆的磷酸铁锂材料的结构、形貌和电化学性能有影响.通过XRD、FTIR、SEM、充/放电测试和电化学阻抗谱对材料的结构、形貌和电化学性能进行了表征.结果表明,V和F的掺杂并没有破坏橄榄石结构中的LiFePO₄/C,但可以提高晶体结构的稳定,降低电荷的转移阻抗,提高锂离子扩散速度,改善了LiFePO₄/C材料的循环性能和高倍率性能.     

非晶/微晶两相硅薄膜电池的计算机模拟

在对不同晶相比硅薄膜的实验研究的基础上，利用有效介质理论估算了这种两相材料的光吸 收系数、迁移率寿命乘积及带隙宽度等参量，计算机模拟了不同结晶比硅薄膜电池的伏安特 性及光谱响应；结果为随着本征层微晶成分的增多，电池的开路电压逐渐减小，短路电流逐 渐增大，本征层的最佳厚度逐渐增大，填充因子有降低的趋势，电池的效率随晶相比的增大 而减小. 电池的光谱响应曲线表明，随晶相比的增大电池的长波响应明显提高. 根据这些模 拟结果，分析讨论了在考虑Lambertian背反射的情况下，非晶/微晶叠层电池的底电池采用 晶相比为40％—50％的两相硅薄膜材料做本征层是最佳选择. 关键词： 两相硅薄膜 太阳能电池 计算机模拟     

电化学染料增感对聚苯胺/硅异质结电池的影响

采用电化学氧化聚合染料增感方法,利用有机染料直接耐晒翠兰对太阳电池顶区材料聚苯胺进行了有机染料增感研究,制备出了Al栅/DS-PAn/n-Si/Al结构的染料增感聚苯胺/硅异质结太阳电池.研究表明,染料增感可使聚苯胺在光照射下光生载流子明显增强,较大幅度地改善聚苯胺的可见光谱响应;J-V特性表明,电池二极管的曲线因子约为6.3,p-n结的潜在势垒高度为0.89 eV;与未增感的PAn/n-Si异质结太阳电池相比,染料增感的DS-PAn/n-Si异质结太阳电池的短路电流和转换效率得到了较大提高,在37.2 W/m2的光照射下,经染料增感的电池短路电流较增感前提高了约6倍,填充因子可达57%,转换效率达1.42%.     

CdSe/ZnS核-壳结构量子点的非线性光学吸收

利用开孔Z扫描技术研究了吸收峰分别为553 nm和503 nm的两种尺寸CdSe/ZnS核-壳结构量子点溶液的非线性吸收性质.对于532 nm,6 ns激光脉冲,两种材料均表现出饱和吸收向反饱和吸收转化的现象.数值模拟结果表明：当吸收峰波长大于激光波长时,饱和吸收过程由快、慢两种机制组成,分别对应基态载流子被激发至不同的激发态,而强光下的反饱和吸收与快过程相关;当吸收峰波长小于激光波长时,饱和吸收主要由快过程机制引起,强光下的反饱和吸收源自激发态吸收和双光子吸收.我们的研究结果表明半导体量子点是研制光开关和光限制器件的理想候选材料.     

基于单粒子模型与偏微分方程的锂离子电池建模与故障监测

锂离子电池内部结构是一种复杂的分布参数系统, 如果为了降低计算难度而使用常微分方程描述锂离子电池, 可能会引入系统误差, 降低系统模型的可信度, 需要使用偏微分方程建立分布参数系统的精确模型. 本文提出了一种基于单粒子模型和抛物型偏微分方程的锂离子电池系统建模与故障监测系统设计方法, 当锂离子浓度实测值与理想值的残差大于预设门槛时判定分布参数系统处于故障状态. 通过一个仿真实例进行了锂离子电池系统建模和故障诊断实验, 实验证明基于单粒子模型和偏微分方程的锂离子电池故障监测系统具有更高的精确度和可信度.     

基于扩展单粒子模型的锂离子电池参数识别策略

为了精确识别电动汽车锂离子动力电池的关键状态参数,基于多孔电极理论和浓度理论,建立了一种考虑液相动力学行为的锂离子电池扩展单粒子模型.相较于传统单粒子模型,该模型增加了对负电极表面固体电解质界面膜参数的描述,并考虑了温度和液相浓度变化对锂离子电池关键参数的耦合影响.基于所建立的扩展单粒子模型,提出一种简化的参数灵敏度分析方法和有效的锂电池参数识别策略,用以确定特定工况下的高灵敏度待识别参数,进而利用遗传算法实现参数的优化求解.最后,通过对比分析本文模型和传统单粒子模型的仿真输出电压和相同工况下电池的实验输出电压验证了提出模型和参数识别方法的有效性和可行性,为电池管理系统的健康状态估计提供了理论基础.     

ZnO/CuO 核壳结构纳米线光致发光性能 与CuO壳层厚度的关系

通过分别生长核层与壳层制备出了ZnO/CuO核壳结构的纳米线。形貌和结构分析表明,ZnO核为单晶纳米线而CuO则以多晶形式覆盖在核层表面上。光致发光(PL)研究表明,ZnO纳米线PL强度随CuO壳层厚度的变化而变化。当壳层比较薄时ZnO的PL强度增大,这主要是由于CuO壳层对ZnO核层的修饰减少了表面态,而当壳层厚度增加到一定程度时,ZnO的PL强度不再变化,这主要是由于在核壳结构中形成了type-I型结构的原因。我们对这一现象做了详细的讨论。     

基于光-热-电耦合利用的薄膜热电器件结构优化

热电器件由于对热源要求低,因此可以用来提高太阳能发电系统的效率。in-plane型热电薄膜器件目前引起了较多学者的关注,本文针对热电薄膜器件的结构进行了改进。通过在热电薄膜中插入电极,使得更多的热量可以通过热电薄膜传递。结果表明改进后的结构可以有效提高热电器件的效率。减小单段热电薄膜的长度是提高效率的有效途径。增加电极长度可以略微提高热电器件的效率。